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压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算和试验研究

摘要：用天然气来取代部分燃油，不仅有助于降低燃料成本，减少环境污染，还可以改善我国能源紧缺现状，缓解油机燃料供需紧张局面，所以是集经济效益、社会效益、环保、节能等多重作用的首选方案。所以当前开发一款高性能的天然气发动机，是内燃机研究人员的首要任务。从目前天然气发动机的应用现状来看，由于天然气发动机压缩着火方式有助于改善排放性能，提高发动机的热效率，所以应加强对压燃式天然气发动机燃烧过程的研究。本文正是对不同供气模式下压燃式天然气发动机燃烧过程进行模拟计算和实验研究。

关键词：压燃式；天然气发动机；模拟计算；试验研究

本次研究对不同供气模式下，压燃式天然气发动机的着火和燃烧机理及其影响因素进行CFD模拟计算。

1.进气道供气模式下的压燃式天然气发动机的燃烧过程研究

在进气道供气模式下，天然气先喷入进气道，然后和空气混合之后，进入气缸，形成均质混合气，使用缸内混合气过量空气系数来衡量均质混合气的浓度，并设置模拟计算的初始条件。本文主要研究进气温度对进气道供气模式下压燃式天然气发动机燃烧过程的影响，并对一系列的参数进行模拟计算。表1为模拟计算时需要使用的边界条件和初始条件。

如图2所示，在进气温度为400K、410K、420K，转速为1200r/min、电热塞温度为1300K、过量空气系数为3.0时，进气道供气模式着火前后燃烧室内温度分布的具体情况。在进气温度达到400K时，上止点后10°CA，燃烧室中还没有出现高温燃烧火焰，是因为进气预热程度不够，压缩终了主燃烧室和副燃烧室内混合气温度无法达到着火温度，从而出现了失火现象。在温度达到410K时，，上止点处副燃烧室中心部位的温度最高，达到1200K，并且主燃烧室和副燃烧室之间出现了温度分层，温差大约达到100°CA，此时混合气还没有着火，上止点后1°CA时，副燃烧室中心部位出现一个高温区域，温度达到2000K，说明此

处应该先着火。上止点后7°CA时，整个燃烧室都有高温火焰。在进气温度为420K时，上止点前3°CA，主燃烧室和副燃烧室的温度都比较高，达到了1200K，但是在上止点前1°CA时，主燃烧室和副燃烧室几乎同时着火，上止点后3°CA时，整个燃烧室都有火焰。所以，在进气道供气模式下，进气温度如果过低，天然气发动机就会出现失火现象。进气温度越来越高，加剧了着火前的化学反应过程，从而出现着火。由于副燃烧室的温度相对较好，所以副燃烧室先着火。在进气温度进一步升高时，整个燃烧室都着火。

图1 不同进气温度下的着火燃烧过程分析

2.缸内供气模式下压燃式天然气发动机的燃烧过程研究

本文主要研究进气温度、电热塞温度对压燃式天然气发动机燃烧过程的影响，缸内供气模式下模拟计算的边界条件、初始条件以及运行参数如表2所示。

表2 缸内供气模式下模拟计算的边界条件、初始条件以及运行参数

图2和图3分别是进气温度为450K和460K时的缸内供气模式下天然气发动机的着火燃烧过程。可以清楚的看出，进气温度越高，副燃烧室的温度就越高，便于着火，所以副燃烧室的着火时间也比较短。当进气温度从450K上升到460K时，着火就由原来的-1°CA提

前到-4°CA。相反，进气温度月底，副燃烧室的着火时间就越长。图2和图3分别是电热塞温度为1300K、1200K时的着火燃烧过程。电热塞的温度越低，副燃烧室的着火时间就越长。当电热塞温度达到1200K时，着火推迟到上止点后3°CA。如果电热塞温度继续降低，将会出现失火情况。

图2 图3 图4 所以，在缸内供气模式时，电热塞温度和进气温度都会对压燃式天然气发动机的燃烧过程造成一定的影响。但是由于在缸内供气模式下，燃料主要是在副燃烧室集中分布，所以电热塞温度和进气温度只会对着火时间造成影响，不会改变缸内供气模式下副燃烧室先着火的特点。

3. 复合供气模式下压燃式天然气发动机的燃烧过程研究

本文主要研究进气温度对压燃式天然气发动机燃烧过程的影响，复合供气模式下模拟计算的边界条件、初始条件以及运行参数如表2所示，计算通道采用圆形通道，直径为8毫米。

在复合供气模式下，进气温度主要是通过改变主燃烧室和副燃烧室内的温度分层效果，来影响压燃式天然气发动机的燃烧过程。在图5的计算情况下，将进气温度提高到460K，压燃式天然气发动机的燃烧过程如图6所示，着火时刻提前到上止点前4°CA，这是由于进气温度的上升，加速了化学方应速率，促使副燃烧室的混合气可以更早着火。如果进气温度只有430K，由于压缩终了混合气温度达不到着火温度，就会出现失火情况。当进气温度达到450K时，着火时刻就会发生在上止点附近，着火时间就更短。

4.结语

目前，压燃式天然气发动机主要采用三种供气模式，分别为单独进气道供气模式、单独缸内供气模式以及缸内供气和进气道供气结合的复合供气模式，本文正是对不同供气模式下压燃式天然气发动机燃烧过程进行模拟计算和实验研究，为有关研究人员提供参考。

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